激光强化技术在刀具材料改性中的应用

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一、引言

8 K* B( v2 H$ e+ T* C切削加工是基本而又常用的精密加工手段，在机械、电机、电子等各种产业部分中都起着重要的作用，决定切削加工效率的因素很多如机床、刀具、工件等，其中刀具是最活跃的因素。而刀具耐用度的高低、刀具消耗和加工成本的多少、加工精度和表面质量的优劣等等，在很大程度上取决于刀具材料的机械性能和加工性能，因此人们不断地研究开发新的刀具材料。但新材料的开发速度常常与现代切削加工生产要求存在一定的差距，如在高速切削300～1000m/min切削钢、90～200m/min切削钛合金等要达到这样高的切削速度，就要发展具有更加优异的高温力学性能、高化学稳定性和热稳定性及高温热抗振性的刀具材料，加速刀具材料的研究与开发，合理选用刀具材料是推动高速切削技术广泛应用的重要前提。

激光加工是激光应用的首要领域，在此领域中激光对物体材料的强化处理占有很重要的位置，特别是对材料表面可进行多种强化处理。
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+ l0 P( O/ z) S; C在刀具材料改性中主要应用的是熔化处理，熔化处理是金属材料表面在激光束照射下成为溶化状态，同时迅速凝固，产生新的表面层。根据材料表面组织变化情况，可分为合金化、溶覆、重溶细化、上釉和表面复合化等。激光熔凝是用适当的参数的激光辐照材料表面，使其表面快速熔融、快速冷凝，获得较为细化均质的组织和所需性质的表面改性技术。它具有以下优点：
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) [1 |$ u0 w2 Z1 K2 d5 O0 P; k  b1.表面熔化时一般不添加任何金属元素，熔凝层与材料基体形成冶金结合。
; a- c3 ^+ d# c4 ]- x1 W- H2.在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得的杂志有较高的硬度、耐磨性和抗腐蚀性。
4 n! x8 k: m: c" W1 G5 H" f3.其熔层薄、热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大。有时可不再进行后续磨光而直接使用。
, D8 y6 O) M% F' j4 n9 k' u4.提高溶质原子在基体中固溶度极限，晶粒及第二相质点超细化，形成亚稳相可获得无扩散的单一晶体结构甚至非晶态，从而使生成的新型合金获得传统方法得不到的优良性能。
2 u3 {6 [) U5 H5.光束可以通过光路导向，因而可以处理零件特殊位置和形状复杂的表面。
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二、刀具材料激光表面改性国内外研究概况

目前国内外与此相关的文献较多，如利用XeCl准分子激光器（波长308nm）照射Al2O3-SiC纳米复合陶瓷试样，能量密度在0.8J/cm3～6.0J/cm3范围内，照射后，表面缺陷消除，形成连续分布的光滑平整的熔化层，并出现亚稳相γ-Al2O3，由于表面形貌的改善和结构的变化,使表面韧性得到提高。W18Cr 4V车刀表面经激光涂覆处理后，对于深切削、快速切削和切削特硬，耐磨性有明显的提高，若以后刀面磨钝为标准,提高近250％；若以前刀面磨钝为标准,提高200％；若以破损为标准，提高近100％。此外车刀前刀面激光处理后，后刀面的耐磨性有明显增长；后刀面激光处理后，前刀面抗月牙洼磨损能力也有一定的提高，但增长幅度不及前者。北京工业大学的宣崇武、张连宝利用激光表面合金化新技术，改变木材加工刀片的表面成分，以提高刀片韧性。激光表面合金化所得的合金化层与刀片基体之间是一种冶金结合，结合力优于各种喷涂层。最佳产品一次刃磨平均产量<20t，但刀片本身折损率>30％。激光合金化处理后的刀片，一次刃磨寿命比最佳产品平均提高3倍左右，且刀刃不崩、不卷、不折断，稍加磨刃可继续使用。无锡冶金机械厂的李良福在用激光加工法提高刀具耐用度的经验证实，激光强化对改善各种刀具的工作能力有较好的效果。例如T8A、T10A、CrWMn和9Cr钢模具的耐用度可提高若干倍，成型模的寿命较一般热处理后的使用寿命可提高15-19倍，较氮化钴耐磨层的模具提高0.5-1倍。前苏联曾对WC85%+Co15%和WC92%+Co8%两种硬质合金粉末进行激光熔覆试验，使用35-30J的固体脉冲激光和0.1，0.5，1-3Kw的连续CO2激光器，扫描速度2.2-17mm/s，在Y8A工具钢基体上熔覆（WC92+Co8）粉末所得最高显微硬度为HV1180。KJ.Schmaxtjko利用准分子激光对陶瓷材料(Al2O3、ZnO2、Si3N4)的表面直接进行重熔改性，结果表明：陶瓷材料的表面粗糙度从激光改性前的10-15μm，下降到1-4μm，且孔隙率大大下降。A.Detitbon的重熔方式可使表面裂纹和孔隙至少下降50%。

最近几年，激光对各种刀具材料表面强化都有不同程度的报导[5,6]，也有人直接研究了激光对高速刀具的表面强化，虽然激光合金化和熔覆陶瓷层已经取得了关键性的进展，但是在工业实际批量化应用较少，特别是在刀具材料改性方面。

三. 目前激光强化技术在民用刀具制造的应用

7 y. a6 {2 e1 d9 {0 V( N民用刀具量大面广，有：厨刀、剪刀、剃须刀、粉碎刀等，目前刀具失效原因主要在刀刃，如刃口磨损、崩刃、腐蚀等，为了达到经久耐用的目的，一般制造工艺方法是：1）采用整体高性能合金材料，如高速钢等2）采用复合钢，如复合钢板刀剪等3）刃口镶焊硬质合金材料，如硬质合金、陶瓷、高速钢等。前两种方法原材料要求较高，制造成本较高；而后者由于镶焊往往为材料硬脆性材料，给制造工艺带来困难，如硬质合金与基体的镶焊强度、硬质合金镶焊长度有限等，使用寿命受到影响。

激光堆焊是继激光熔覆技术上发展起来的一项新的激光加工技术，借鉴传统的堆焊技术优点，用大功率激光为加热源，对同步送入的合金焊丝与基体表层同时快速熔化，得到和基体完全冶金结合的并具有特殊性能（耐磨、耐蚀、耐热等）的表层，形成复合层，用于制造双金属刀具。而激光合金化则是在基体的表面熔融层内加入合金元素，从而形成以基材为基础的新的合金层，达到表面改性，刃口强韧化的目的。
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综合上述技术的优点，把这一技术应用于刀具材料表面强化处理，则是提高刀具耐磨性及其使用寿命的重要途径之一，尤其对于陶瓷、硬质合金刀具这种高硬度、耐热性好等优点，有利于提高加工效率和加工精度，并能对难加工材料如淬火钢在不利的加工条件下进行切削加工。由于它们强度相对较低，韧性和可$&*性较差，严重地限制了它们的应用范围，因此把激光表面强化技术应用于陶瓷、硬质合金刀具具有深刻的研究意义和广阔的应用前景。

目前，国内外提高刀具抗磨损的方法主要分为两类：一种是常规的表面处理法，如采用非常规的表面淬火方法、激光熔覆的方法（覆层的合金粉多为Ni、Co基自熔合金或添加粗颗粒的碳化钨或者采用激光厚层熔覆，这类方法比较适用于磨粒磨损很高的工况，例如，矿山、石油、农机等采掘工具）等，其存在的缺点就是易产生裂纹等缺陷。另一种是最近发展起来的涂层刀具，此类方法的缺点就是沉积涂层较薄。这两种方法都有其不同程度的缺点。前者是通过材料本身发生的显微组织转变来提高硬度及耐磨性，因而只对碳钢有效，而对硬质合金、高速钢材料的刀具材料而言则效果不明显，采用后者不仅涂层较薄，涂层沉积时间较长，而且实际使用中常常发生剥落现象。
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以下为激光表面强化技术在刀具材料改性中的应用实例。

3.1 家用厨刀激光熔覆表面改性
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: \8 ?$ i7 }" P9 ~& F采用激光涂层在常用的不锈钢厨刀刃口进行薄层快速熔覆，得到涂覆层均匀、高耐磨的刀具刃口，代替传统的刀具生产工艺，改造其产业提高刀具（厨刀）产品的内在质量和附加值。通过对涂层材料的配比、激光涂层性能等方面的分析研究，开发出与“懒汉刀”同等水平的厨刀并将其实用化。通过优化工艺采用预置式合金粉末得到了无裂纹、一定硬度涂层的厚度、变形小、回火带窄的刃口。可以看出，熔覆层均匀覆盖在刀刃上。
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  Z3 J; ^5 I, E9 P9 Z+ ~( ]! s对断面分析，从外向内可以明显的看出分为4个区域：熔覆层、硬化过渡区、回火区和基体材料。

, {& V$ \) A8 g; j3.1.1 熔覆区

该区以涂层材料为主要成分，硬度较高HV990-1300，厚度0.02-0.08mm，其中大量未熔的硬质颗粒，起到了弥散强化的作用。涂层过厚易形成裂纹，影响使用，通过优化工艺参数，得到了既无裂纹、硬度高、表面光洁，与基体呈良好冶金结合的涂层，而这一涂层正是提高刃口磨损性能的关键。

' M) P% G  _, a! c# C+ v3.1.2 硬化过渡区
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8 y/ h- V1 u  I0 S2 W: K; ?& N这一区域包含与熔覆层相接的合金化层，与回火区相接的淬火区，占硬化层的80%，硬度层硬度平缓过度，组织主要是过度细化的马氏体和碳化物。

) w8 V  L( @$ M( H0 C0 Q3.1.3 回火区
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+ [) N( T& h! U  A- X& J5 G4 `) \由于扫描速度的加快，回火区变窄，组织为索氏体及碳化物。回火区的存在有利于保持刃口的韧性，在高硬度冲击情况下不至于断裂。
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2 h. F) f% `6 g2 u6 d, y3.2 激光熔渗纳米改性强化刀具

" ]( W: C9 T2 G激光熔渗是一种结合激光熔覆工艺和激光合金化工艺的表面改性的方法。将其运用到园林刀具生产过程中，可以对不同类型的刀具进行激光表面改性强化。纳米材料较之微米级材料具有更好的力学性能，涂覆于基体表面的纳米合金粉在高密度的激光束作用下快速熔凝，以部分纳米硬质合金颗粒渗入到基体材料当中，起到了微合金化作用，而刀具表面又可以获得纳米晶的覆层，因而不仅提高了强韧性及耐磨而且还加深了刀具刃口的硬度层深，延长了刀具的使用寿命。

刀片经过激光处理后，在表层形成明显的硬化层，硬度呈现梯度变化，心部仍保持原来的组织。这样使得表层硬而耐磨，芯部保持韧性，而且运转过程有“自锐性”效果，使得刀片的使用寿命延长。该刀片的厚度为1.5mm，硬化层深度为0.18mm，表层白亮层为合金碳化物，马氏体,硬度为HV0.2 820-766，心部为回火屈氏体，硬度为HV316 。

9 z* z, ]0 D  a/ Y) W四、激光强化技术在刀具材料改性应用的展望
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目前国内外对工程陶瓷与硬质合金材料的研究有一定的进展，另一方面激光对刀具进行表面强化处理属当前机械加工领域的前沿，用强激光束对代替某些热处理是一种有效的方法，结合当前纳米技术的发展，在这三个方向的基础上找到它们的结合点，参照同类近似的研究方法，对陶瓷、硬质合金的激光强化机理及技术进行研究，提出了在以后研究工作中将通过对高耐磨/耐蚀/耐热纳米硬质粉材（陶瓷、复合材料等）的研制及配比、激光纳米强化层性能、激光厚层堆焊工艺与硬质合金材料等方面的分析研究，针对不同刀具采用相应的工艺，利用普通的刀具材料开发出提高刀具刃口强韧性、耐磨性及使用寿命的新产品，获得对各种刀具类材料激光堆焊复合、纳米合金熔渗及产品化实用化的总体工艺技术，使其能满足实际生产的复杂要求，尤其是克服陶瓷刀具材料脆性大、可靠性低等缺点，为改进硬质合金和陶瓷材料增添了一条有效的途径。

6 \0 p, T. ?7 e  A" k  K# I" X相信激光合金化表面强化技术在刀具材料改性中具有广泛的应用范围和广阔的应用前景。